ZnO薄膜在傳感器方面的應(yīng)用

ZnO薄膜在傳感器方面的研究與應(yīng)用白樺林目錄：ZnO的基本性質(zhì)及能帶結(jié)構(gòu)ZnO的缺陷、摻雜、合金及能帶工程ZnO薄膜的制備技術(shù)ZnO在傳感器方面的的應(yīng)用總結(jié)文獻(xiàn)ZnO的基本性質(zhì)ZnO熱力學(xué)穩(wěn)定相為釬鋅礦結(jié)構(gòu)，寬帶隙3.37eV（常溫），缺乏中心對稱性，對可見光透明。纖鋅礦常溫具有較大激子束縛能60meV，本證載流子濃度<106cm-3,電子遷移率200cm2/(V.s),空穴遷移率5~50cm2/(V.s)WurtziteZnO:spontaneouspolarizationZnO的能帶結(jié)構(gòu)ZnO直接帶隙寬禁帶3.37eV由于六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)對稱性較低，ZnO能帶較復(fù)雜。其價(jià)帶導(dǎo)帶的能隙有O-2p,Zn-4s態(tài)決定對ZnO能帶的深入研究最早是Thomas，后來Shindo和Lambrecht等人作了進(jìn)一步研究之后，人們對ZnO的能帶結(jié)構(gòu)做了更深入的探索，為ZnO能帶工程打下良好基礎(chǔ)。Zn-4sO-2pZnO的缺陷錯(cuò)位與晶界ZnO薄膜中存在原生層錯(cuò)和擴(kuò)展位錯(cuò)、ZnO薄膜中退火誘生的層錯(cuò)及晶界本征點(diǎn)缺陷氧空位、鋅空位（綠光）、氧間隙、鋅間隙、反位缺陷其中.氧空位和鋅間隙之類的“缺氧”環(huán)境對ZnO的P型摻雜是非常不利的。ZnO中的氫雜質(zhì)氫在ZnO中作為施主，對P性摻雜不利ZnO的摻雜AZO、GZO、IZO最常見，為N型摻雜另外，摻B，摻N、P、As、Sb等V族元素，摻Mo等VI族元素，摻F等VII族元素以及La系元素的N型摻雜均有研究，我們可以從這里得到一些啟發(fā)，摻雜一種或多種元素來提高薄膜性能。對于P型摻雜：摻IA族（Li、Na、K），IB族（Au、Ag、Cu），N、P、As、Sb等V族元素對ZnO中O的替換（摻雜），H輔助摻雜，施主受主共摻雜（Al-N,Ga-N,In-N）,以及雙受主共摻雜。ZnO的合金及能帶工程能帶工程主要通過合金化來實(shí)現(xiàn)，對于ZnO有兩種途徑：ZnO與等價(jià)態(tài)的MO(M=Mg,Be,Cd)混溶實(shí)現(xiàn)ZnMO。ZnO與鋅硫族化合物ZnX(X=S,Se)混溶實(shí)現(xiàn)ZnOX。三元合金一般有兩種晶體結(jié)構(gòu)相同或相似化合物混溶得到，若兩種晶體化合物禁帶類型一致，則可實(shí)現(xiàn)禁帶近似線性調(diào)制，若不一致則分段近似。ZnO薄膜的制備技術(shù)ZnO-TCO薄膜的制備技術(shù)磁控濺射法脈沖激光沉積法（PLD）電子束蒸發(fā)法MOCVD噴霧熱分解溶膠-凝膠法（Sol-gel）電化學(xué)沉積水熱法化學(xué)浴沉積分子束外延（MBE）

關(guān)于成膜技術(shù)，PLD法與磁控濺射法是制得高質(zhì)量的ZnO的較好方法但是設(shè)備復(fù)雜效率低，成本高，MOCVD成膜質(zhì)量較好但成本也較高，噴霧熱分解法、Sol-gel和電化學(xué)沉積法都可以實(shí)現(xiàn)低成本大面積成膜但是成膜質(zhì)量一般工藝有待改進(jìn)。ZnO在我們可能涉及領(lǐng)域（如顯示領(lǐng)域）的應(yīng)用發(fā)光材料寬禁帶量子效應(yīng)透明導(dǎo)電膜電極電極修飾增透膜保護(hù)膜藍(lán)綠、藍(lán)紫、紫外LED白光LED、OLED柔性O(shè)LED等發(fā)光器件OPB，復(fù)合OPBTFTLED、OLED等薄膜太陽能電池電致發(fā)光光致發(fā)光陽極陰極增加光吸收增加光出射ZnO透明導(dǎo)電膜的應(yīng)用ZnO薄膜在傳感器方面的應(yīng)用

氧化鋅是一種具有六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的寬禁帶氧化物半導(dǎo)體材料，有優(yōu)良的壓電性、氣敏

性、壓敏性和濕敏性，且原料廉價(jià)易得，常被用來制作傳感器的敏感元件。

ZnO薄膜傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快、集成化程度高、功率低、靈敏度高、選擇性好、原料低廉易得等。壓電傳感器

ZnO薄膜具有優(yōu)良的壓電特性，即在一定方向上受到外力作用時(shí)，其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)相對的表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。在制作各種ZnO傳感器時(shí)，通常會(huì)把ZnO薄膜沉積在一層薄的硅梁上，以增加其壓電效應(yīng)。

利用ZnO壓電薄膜為換能器制作的硅微壓電薄膜傳聲器，較性能有了大幅提高，1000Hz基準(zhǔn)頻率的靈敏度達(dá)到-85dB，500Hz~10000Hz波段頻率響應(yīng)的平坦度在±3dB范圍內(nèi)。壓電傳感器

傳感器越來越小型化、微型化，這些為其應(yīng)用帶來了許多方便。以IC制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的微機(jī)械加工工藝可使被加工的敏感結(jié)構(gòu)的尺寸達(dá)到微米、亞微米級(jí)，并可以批量生產(chǎn)，從而制造出微型化而價(jià)格便宜的傳感器。將ZnO壓電薄膜技術(shù)與表面微機(jī)械加工技術(shù)結(jié)合起來，可以得到新型的微型氧化鋅多功能器件。壓電傳感器圖2壓電薄膜傳感器示意圖

圖2所示ZnO壓電薄膜表面微機(jī)械傳感器示意圖。這種新結(jié)構(gòu)的器件既充分發(fā)揮了表面微機(jī)械加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),又可利用ZnO材料的多功能特性，與用體微機(jī)械技術(shù)制作的集成化ZnO器件相比,可大大簡化其制作工藝和減小器件尺寸,為研制集成ZnO薄膜器件提供了一種有效的手段。氣敏傳感器

ZnO是一種典型的表面控制型氣敏材料，通常其顆粒越小，比表面積越大，氧吸附量則越大，材料的氣體靈敏度越高；ZnO薄膜氣敏元件以石英玻璃或陶瓷作為絕緣基片，通過真空鍍膜在基片上蒸鍍鋅金屬，用鉑或鈀膜作引出電極，最后將基片上的鋅氧化。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、響應(yīng)迅速、機(jī)械強(qiáng)度高、互換性好、產(chǎn)量高、成本低等氣敏傳感器圖31000ppmCO氣氛下ZnO:Al薄膜的靈敏度和溫度關(guān)系曲線

ZnO敏感材料是N型半導(dǎo)體，當(dāng)添加鉑作催化劑時(shí)，對丙烷、丁烷、乙烷等烷烴氣體有很高的靈敏度；而用鈀作為催化劑時(shí)，對H2和CO有較高的靈敏度；這種原件有很高的的選擇性。Al摻雜的ZnO薄膜氣體傳感器則能在400℃的溫度下工作，對CO的靈敏度可達(dá)61.6%，其靈敏度曲線如圖3所示。濕度傳感器

濕度傳感器，可以將濕度的變化轉(zhuǎn)化為電訊號(hào)，易于實(shí)現(xiàn)濕度指示、記錄和控制的自動(dòng)化。濕敏材料是指電阻值隨環(huán)境濕度的增加而顯著增大或降低的一些材料。納米薄膜有大的比表面積，毛細(xì)微孔多，更易于吸收水蒸氣，是制備濕度傳感器的首選材料。利用ZnO薄膜制作的濕度傳感器，由于ZnO薄膜是一種晶體間隙存有過剩Zn離子的n型半導(dǎo)體，通過添加雜質(zhì)可以在寬廣范圍內(nèi)控制電阻值。濕度傳感器

右圖為ZnO薄膜濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。它是在陶瓷、玻璃等絕緣基片上形成一對叉指的檢測電極，再在叉指電極上部覆蓋用作濕敏元件的ZnO薄膜。圖4ZnO薄膜濕度傳感器的結(jié)構(gòu)濕度傳感器

摻雜可以大大改善ZnO的濕敏特性。浙江大學(xué)的研究者用有機(jī)物（NaPSS）和ZnO納米復(fù)合而成的薄膜制得了性能優(yōu)良的濕敏傳感器，其具有良好的線性度、很高的靈敏度、以及很小的濕滯回差（僅2%RH），而且響應(yīng)、恢復(fù)時(shí)間均小于2s。其濕滯回線如右圖所示。ZnO鍍膜光纖傳感器

光纖系統(tǒng)除了在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中大量采用外，越來越廣泛的被應(yīng)用于各種信號(hào)的采集、傳輸與處理。以氧化鋅（ZnO）作為壓電層的鍍膜光纖傳感器也被越來越多的人所研究。ZnO鍍膜光纖傳感器

右圖所示為ZnO鍍膜光纖傳感器的幾何結(jié)構(gòu)，其中的壓電層為氧化鋅鍍膜層，當(dāng)內(nèi)電極層和外電極層之間的電壓發(fā)生變化時(shí)，光纖內(nèi)產(chǎn)生振蕩聲波，使得光纖的折射率改變，在有光信號(hào)通過時(shí)，其相位發(fā)生變化，其本質(zhì)是一種聲光諧振器。ZnO鍍膜光纖傳感器的幾何結(jié)構(gòu)總結(jié)

最近30多年來圍繞著氧化鋅薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、物化性能、成膜技